Fenómenos de Transporte II - Instituto Tecnológico de Morelia

• Realizar investigación científica ytecnológica en el campo de laIngeniería Bioquímica y difundir susresultados.• Reconocer que el estudio de losfenómenos de transporte esfundamental para el diseñotermodinámico de los bioprocesos.diversas (Gestión de la información)• Solución de problemas• Toma de decisiones en diversascircunstancias, inclusive adversas.Competencias interpersonales• Capacidad crítica y autocrítica• Trabajo en equipo• Habilidades interpersonales• Trabajo con ética y sustentabilidad.Competencias sistémicas• Capacidad de aplicar los conocimientosen la práctica• Habilidades de investigación• Capacidad de aprender• Capacidad de generar nuevas ideas(creatividad)• Habilidad para trabajar en formaautónoma• Búsqueda permanente del logro• Habilidad para el autoaprendizajecuando sea necesario.• Preocupación por la calidad4.- HISTORIA DEL PROGRAMALugar y fecha deelaboración o revisiónInstituto Tecnológico deVillahermosa.7 al 11 de Septiembre de2009Instituto Tecnológico deTepic.14 de septiembre de 2009al 5 de Febrero de 2010Instituto Tecnológico deCelaya.8 al 12 de febrero de 2010.ParticipantesRepresentantes de losInstitutos Tecnológicos de:Celaya, Culiacán,Durango, Mérida, Morelia,Tehuacán, Tepic, Tijuana,Tuxtepec, Veracruz,VillahermosaAcademias de IngenieríaQuímica y Bioquímica y deCiencias BásicasRepresentantes de losInstitutos Tecnológicos de:Celaya, Culiacán,Durango, Mérida, Morelia,Tehuacán, Tijuana,Tuxtepec, Veracruz,Observaciones(cambios y justificación)Reunión nacional de Diseño einnovación curricular de lacarrera de IngenieríaBioquímicaAnálisis, enriquecimiento yelaboración del programa deestudio propuesto en la ReuniónNacional de Diseño Curricularde la carrera de IngenieríaBioquímicaReunión Nacional deConsolidación de la carrera deingeniería Bioquímica4

Lugar y fecha deelaboración o revisiónParticipantesVillahermosa.Observaciones(cambios y justificación)5.- OBJETIVO(S) GENERAL(ES) DEL CURSO• Comprender y aplicar balances microscópicos de calor y de masa en diversos sistemas.• Determinar perfiles de temperatura en sistemas con transferencia de calor lastemperaturas promedio y los flujos de calor transferidos.• Determinar perfiles de concentración en sistemas con transferencia de masa, lasconcentraciones promedio, flujos másicos transferidos• Cuantificar las cantidades de masa y calor en balances microscópicos y macroscópicos.• Diseñar sistemas de intercambio de calor.6.- COMPETENCIAS PREVIAS• Aplicar la Primera y la Segunda Ley de la Termodinámica.• Realizar Balances de Materia y Energía.• Aplicar métodos numéricos para la solución de ecuaciones algebraicas y diferenciales.• Aplicar el concepto de límite de funciones.• Aplicar los sistemas de coordenadas cartesianas, cilíndricas y esféricas.• Usar tablas y gráficas de datos termodinámicos.• Aplicar balances microscópicos de cantidad de movimiento tanto por el principiofundamental del cálculo como con el uso de tablas de ecuaciones de continuidad y debalance de momentum.7.- TEMARIOUnidad Temas Subtemas1 Transferencia de calor por 1.1. Generalidades del transporte de calor porconducciónconducción, convección y radiación.Aplicaciones1.2. Ley de Fourier, medición y estimación deconductividad térmica en gases, líquidos ysólidos.1.3. Balances microscópicos de calor encoordenadas cartesianas, cilíndricas yesféricas. Estado permanente y transitorio.1.4. Deducción de la ecuación general delbalance microscópico de energía. Uso detablas de ecuaciones. Problemas deaplicación.1.5. Transferencia de calor bidimensional.Ecuación de Laplace y de Poisson. Uso de2 Transferencia de calor porconvección y radiacióndiferencias finitas.2.1. Transferencia de calor en la interfase. Leyde enfriamiento de Newton.2.2. Convección forzada. Coeficientes detransferencia de calor, medición y5

estimación. Flujo laminar y turbulento.Convección natural. Coeficientes detransferencia de calor, medición yestimación.2.3. Transferencia de calor con cambio de fase.2.4. Transferencia de calor por radiación.Espectro electromagnético, concepto decuerpo negro y gris. Ley de Stefan-Boltzmann, emisividad.3 Intercambiadores de calor 3.1. Balance microscópico de energía,conceptos de temperatura global ydiferencia media logarítmica detemperaturas. Intercambiadores de tubosconcentrícos.3.2. Intercambiadores de calor de tubos ycoraza. Eficiencia.3.3. Intercambiadores de calor de placas.3.4. Calentamiento de líquidos en tanquesagitados3.5. Diseño termodinámico de intercambiadoresde calor3.6. Condensadores, calentadores, calderas.4 Transferencia de masadifusional4.1. Mecanismos de transferencia de Masa.Fuerzas impulsoras en sistemas binarios.Aplicaciones4.2. Ley de Fick, medición y estimación dedifusividad en gases, líquidos y sólidos.4.3. Balance microscópico de masa. encoordenadas cartesianas, cilíndricas yesféricas. Estado permanente y transitorio.4.4. Deducción de la ecuación general debalance microscópico de masa para uncomponente A. Uso de tablas.4.5. Difusión y reacción. Módulo de Thiele,factor de efectividad en reaccionesheterogéneas.5 Transferencia de masa porconvección5.1. Transferencia de masa en la Interfase.5.2. Coeficiente de transferencia de masa,medición y estimación.5.3. Analogías para estimar k c : Reynolds,Chilton-Colburn, factores J H y J D .5.4. Transporte de masa en medios porosos ymultifásicos. Coeficiente volumétrico detransferencia de masa k l a5.5. Introducción a los procesos acoplados enla ingeniería Bioquímica8.- SUGERENCIAS DIDÁCTICAS6

El profesor o facilitador del curso de Fenómenos de Transporte II debe poseer un amplioconocimiento del estado del arte inherente a la transferencia de calor y de masa y susaplicaciones y, de preferencia, realizar investigación asociada a los fenómenos de transporte enla ingeniería Bioquímica. Este soporte académico, junto con su experiencia docente servirán demanera sinérgica para favorecer la adquisición de las competencias específicas enunciadas enel programa de estudios, fomentar tanto el trabajo en equipo como el esfuerzo individual ypracticar y fomentar con el ejemplo las diversas competencias genéricas que forman el perfilprofesional del ingeniero. Algunas de las estratégicas sugeridas para estos fines son:• Organizar talleres de resolución de problemas relacionados con cada uno de los temasdel programa, empleando computadora.• Realzar las diversas aplicaciones que tiene el análisis del transporte de calor y de masaen el campo de la Ingeniería Bioquímica: Calentamiento y enfriamiento de fluidos,destilación, secado, extracción sólido-líquido, biorreactores de burbujeo, biofiltración,biocatálisis, entre otros ejemplos.• Ubicar la asignatura dentro de un contexto integrador del conjunto de conocimientos,habilidades y aptitudes que forman el título de Ingeniero Bioquímico, utilizando mapasconceptuales.• Fomentar durante todo el curso, la visión integradora de los conocimientos, habilidades yaptitudes para la solución de problemas de la práctica de la Ingeniería Bioquímica.• Emplear recursos audiovisuales como computadora, proyector digital e Internet, usandopresentaciones, videos, búsqueda de información, recursos en línea, prototipos, entreotros.• Promover la lectura y discusión de artículos científicos apropiados, en donde se apliquenlos fenómenos de transporte de calor y de masa• Utilización de software apropiado (Excel, Mathematica, MathCad, CFD, EngineeringEquation Solver, software local, software libre (Open Office), recursos en línea, entreotros) para el análisis y solución de problemas.• Elaboración de trabajos de investigaciones documentales y exposición ejecutiva de losmismos• Seminarios de temas puntuales impartidos por los estudiantes con una duración de 15-20minutos, en donde se aprecie la calidad de la presentación, la expresión oral y corporal yla defensa del tema• Búsqueda, exhibición y análisis de videos y animaciones existentes en Internetrelacionadas con transferencia de calor y de masa. entre otros temas afines• Propiciar en el estudiante la participación en eventos académicos (Concursos decreatividad, congresos, semanas académicas, entre otros) para fomentar el interés por lainvestigación y el desarrollo de proyectos.• Relacionar constantemente los contenidos de esta asignatura con las otras asignaturasdel plan de estudios a las que les proporciona soporte (Operaciones Unitarias, Ingenieríade Biorreactores, Ingeniería de Procesos) para desarrollar en el estudiante una visiónintegral e interdisciplinaria que fortalezca sus competencias. Ejemplos: Comprender losfenómenos de transporte acoplados en diversas operaciones unitarias (secado,calentamiento o enfriamiento de fluídos, esterilización de alimentos), caracterizar elproceso difusión-reacción en microorganismos inmovilizados, en la operación de unbiofiltro, la fermentación en estado sólido, uso de biopelículas en tratamiento de aguasresiduales, entre otros, teniendo en mente que, en muchos casos reales, los fenómenosde transporte ocurren de manera acoplada.• Mediante talleres en donde se analicen casos de estudio de libros, artículos científicos ode Internet, en donde coexistan más de un fenómeno de transporte, inferir los diversos7

niveles de sofisticación para su análisis, mencionando que fenómeno de transporte es elmás importante para estudiar el sistema.9.- SUGERENCIAS DE EVALUACIÓNLa evaluación deber hacerse de manera cotidiana armonizando la evaluación de diversosaspectos enunciados a continuación con la reglamentación vigente.• Trabajos de investigación en donde se evalúa la calidad del contenido, pertinencia ypresentación del mismo, de preferencia en formato digital.• Exámenes dentro y fuera del aula. Algunos de los exámenes pueden ser con consultade material bibliográfico y uso de computadora, para apreciar la capacidad delestudiante para búsqueda e integración de información específica.• Participación del estudiante durante el desarrollo del curso.• Sesiones de preguntas y respuestas profesor-estudiante, estudiante-estudiante.• Seminarios de temas selectos impartidos por los estudiantes• Presentación y defensa de un proyecto propio de la asignatura.• Talleres de resolución de problemas por equipos de trabajo.• Planteamiento de problemas selectos cuya resolución (opcional) acreditará puntos extraa la evaluación en turno.10.- UNIDADES DE APRENDIZAJEUnidad 1: Transferencia de calor por conducciónCompetencia específica adesarrollar• Comprender los principios delbalance microscópico deenergía por conducción yaplicarlos en la estimación deperfiles de temperatura endiversos problemas deingeniería.• Aplicación de métodosanalíticos o numéricos para lasolución de las ecuacionesgobernantes del balancemicroscópico de calor.Actividades de Aprendizaje• Explicar mediante videos la transferenciade calor por conducción, convección yradiación,• Explicar mediante videos o animaciones elexperimento que condujo a la deducción dela Ley de Fourier y describir el efecto de lapresión y la temperatura sobre laconductividad térmica de gases, líquidos ysólidos.• Explicar el concepto de conductividadtérmica efectiva aplicable a mediosporosos.• Calcular la conductividad térmica de gases,líquidos y sólidos aplicando diversascorrelaciones y efectuar comparacionesentre ellas.• Paricipar en seminarios para deducir elbalance microscópico de energíacontemplando la conducción y convecciónde calor y discutir su importancia ygeneralización a cualquier sistema decoordenadas ortogonales.• Participar en un seminario donse se8

Competencia específica adesarrollarActividades de Aprendizajepresente el concepto de aleta deenfriamiento, su modelación y aplicaciones.Discutir el concepto de eficiencia.• Paricipar en talleres para calcular, a partirde un balance de energía, el flujoconductivo de calor, unidireccional, enestado estable y dinámico, a través desistemas de una pared y de paredescompuestas de geometría rectangular,cilíndrica o esférica, con y sin fuentesvolumétricas de calor con condiciones defrontera de Dirichlet, Neumann y Robin.• Utilizar software (Comsol Multiphysics,Excel, Surfer MatLab) para la construcciónde isotermas en la solución del problema detransporte 2-D de calor por conducción yapreciar el efecto de diversas condicionesde frontera.Unidad 2: Transferencia de calor por convecciónCompetencia específica adesarrollar• Comprender los principios delbalance microscópico deenergía por convección yaplicarlos en la estimación deperfiles de temperatura endiversos problemas deingeniería.• Aplicar la técnica de análisisdimensional para deducir losprincipalesgruposadimensionales relacionadoscon la transferencia convectivade calor• Aplicar la ley de Stefan-Boltzmann para calcular el fluxde calor transferido porradiación.Actividades de Aprendizaje• Explicar mediante videos o animaciones laconvección natural, la convección forzada yla ley de enfriamiento de Newton• Emplear correlaciones para la estimaciónde h c locales y globales para diversossistemas geométricos, tanto en régimenlaminar como turbulento.• Obtener los números adimensionalescaracterísticos de los problemas detransferencia de calor mediante el análisisdimensional de las ecuaciones de cambio.• Participar en seminarios para discutir laimportancia de caracterizar la transferenciade calor en sistemas bifásicos como unsistema de biofiltración, almacenamientorefrigerado de frutas, esterilización dealimentos enlatados, entre otros.• Describir el significado físico de losprincipales números adimensionales de latransferencia de calor (números deGrashof, Prandtl, Péclet, Fourier, Nusselt,Biot, Stanton y el factor jH).• Estimar coeficientes de transferencia decalor en procesos de ebullición ycondensación.9

Competencia específica adesarrollarActividades de Aprendizaje• Explicar la radiación de calor y la Ley deStefan-Boltzmann y sus aplicaciones.• En seminario, explicar la deducción de laley de Stefan-Boltzmann• Discutir el principio de funcionamiento deun recipiente diseñado para conservar elcalor y el frio (termo) y como puedemejorarse su diseño.Unidad 3: Intercambiadores de calorCompetencia específica adesarrollar• Aplicar los conceptos detransferencia de calor aldiseño de intercambiadores decalor.Actividades de Aprendizaje• Estimar áreas de transferencia de calor.ylongitudes de tubos en sistemas simples detransferencia de calor.• Comcluir a partir de videos o fotografíasacerca del funcionamiento de los diversostipos de intercambiadores de calor.• Describir el uso de los intercambiadores decalor y exponer el uso de losintercambiadores de calor en la industria• Usando videos o fotografías describir elfuncionamiento de condensadores, reboilersy calderas y sus aplicaciones• A partir de casos de estudio, calcular áreasde transferencia, coeficientes globales detransferencia de calor, calor transferido ynecesidades energéticas en elintercambiador de calor seleccionado.• En seminario, discutir cómo se aprovechande manera eficiente la energía térmica(corrientes frías y calientes) en la industria.Introducción a las redes deintercambiadores de calor.Unidad 4: Transferencia de Masa DifusionalCompetencia específica adesarrollar• Comprender los principios delbalance microscópico de masapor difusión molecular yaplicarlos para la estimación deperfiles de concentración endiversos problemas deingeniería.Actividades de Aprendizaje• Explicar la difusión molecular y la ley deFick, usando videos o animaciones,Reflexionar sobre la conveniencia deexplicar el transporte de masa con estemodelo, en lugar de la simulación a nivelmolecular.• Explicar el concepto de difusividad en10

Competencia específica adesarrollarActividades de Aprendizajemezclas binarias (coeficiente de difusiónbinario) y describir el efecto de la presión yla temperatura sobre la difusividad engases, líquidos y sólidos.• Calcular la difusividad de gases y líquidosmediante correlaciones generalizadas ycomparar su grado de predictibilidad y susrangos de validez• Explicar el concepto de difusividad efectivade una sustancia en un medio multifásico(medio poroso).• Explicar la convección natural de masainducida por altas concentraciones de unsoluto.• Deducir el balance microscópico de masapara un componente A y explicar elsignificado físico de los términosinvolucrados en las ecuaciones generalesde cambio.• Calcular a partir de un balance de masa, elflujo difusivo de masa unidireccional, enestado estable y dinámico, a través demedios homogéneos o heterogéneos(difusividad efectiva); en geometríasrectangulares, cilíndricas o esféricas, con ysin reacción química, empleandocondiciones de frontera de Dirichlet,Neumann o Robin.• Diseñar gráficas o animaciones paraexplicar el transporte de masa difusivo enestado dinámico 1-D o en estadopermanente en 2-D. Comparar solucionesanalíticas con numéricasUnidad 5: Transferencia de Masa por ConvecciónCompetencia específica adesarrollar• Comprender los principios delbalance microscópico de masaconvectivo y aplicarlos para laestimación de perfiles deconcentración en diversosproblemas de ingeniería.Actividades de Aprendizaje• Experimento y condiciones para latransferencia de masa en la interfase.Teoría de película y ecuación detransferencia de masa (analogía con la leyde enfriamiento de Newton)• Explicar la convección natural de masainducida por altas concentraciones de unsoluto.• Explicar la convección forzada de masa y elcoeficiente de transferencia de masa.11

• Estimar los coeficientes de transferencia demasa local y promedio a partir decorrelaciones y analogías entre lastransferencias de momentum, calor y masa(analogías de Reynolds y de Chilton-Colburn).• Obtener los números adimensionalescaracterísticos de los problemas detransferencia de masa mediante el análisisdimensional de la ecuación de balancemicroscópico.• Describir el significado físico de losprincipales números adimensionales de latransferencia de masa (números deReynolds, Grashof de masa, Schmidt,Péclet de masa, Fourier de masa,Sherwood, Nusselt de masa, Biot de masa,Damköhler, Lewis, Stanton de masa,módulo de Thiele, factor jD).• En seminario, explicar las ventajas decaracterizar sistemas multifásicos usandoun coeficiente volumétrico de masa (k l a).Aplicaciones en el diseño de biorreactores.• Realizar un seminario, en donde sedescriban y propongan los modelosmatemáticos de diversas operacionesunitarias en donde ocurren fenómenosacoplados como es el caso del secado,dinámica de cámaras frigoríficas y hornos,almacenamiento de granos, biorreactorescon microorganismos o enzimasinmovilizadas, entre otros. Apoyarse conartículos científicos ad hoc.11.- FUENTES DE INFORMACIÓN1. Bejan, A. Allan D. Graus. Heat Transfer Handbook. USA: John Wiley & Sons, Inc.2003.2. Bird, R. B., Warren E. Stewart, Edwin N. Lightfoot. Transport Phenomena, 2ndedition. New York: John Wiley & Sons, Inc. 2002.3. Brodkey Robert S., Hershey Harry C. Transport Phenomena: A Unified Approach.USA: Mc. Graw-Hill. 1988.4. Geankoplis, C.J. Transport Processes and Separation Process Principles. FourthUSA: Prentice Hall PTR. 2003.5. Hines, A. L., Maddox, R.N. Transferencia de Masa: Fundamentos y Aplicaciones.México: Prentice-Hall Hispanoamericana S.A. 1987.6. Holman Jack P. Heat Transfer, 8a. USA: Mc. Graw-Hill. 1997.7. Incropera, F. P., DeWitt, D.P. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 5th Edition.John Wiley & Sons Inc. 2002.8. Kreyszig, E. Advanced Engineering Mathematics. 9 th edition. John Wiley and SonsInc. International Edition. Singapore. 2006.12

9. Lobo, R. Principios de Transferencia de Masa. México: Universidad AutónomaMetropolitana-Iztapalapa.. 1997.10. McCabe, W., Smith, J., Harriott, P. Unit Operations of Chemical Engineering. 7 thedition. Mc Graw-Hill Book Co. 2004.11. Ochoa-Tapia, A. Métodos Matemáticos Aplicados a la Ingeniería Química.Departamento de Ingeniería de Procesos e Hidráulica. UAM-Iztapalapa. 2004.12. Poling, B. Prausnitz, J, M., O'Connell, J.O. The Properties of Gases and Liquids. Fifthedition. USA: Mc. Graw-Hill Professional.. 2000.13. Richard G. Rice, Duong D. Do. Applied Mathematics and Modeling for ChemicalEngineers. John Wiley & Sons, Inc. 1995.14. Spiegel, M.R. Manual de Fórmulas y Tablas de Matemática Aplicada. 3ª edición.McGraw-Hill Book. Co. México. 2005.15. Treybal Robert E., Operaciones de Transferencia de Masa 2a. ed. México Mc.Graw-Hill. 1988.16. Welty, J., C.E. Wicks, R. E. Wilson, G. L. Rorrer. Fundamentals of Momentum, Heat,and Mass Transfer. 4th edition. John Wiley & Sons. Inc. 2001.17. Welty, J., Wicks, C.E., Wilson, R.E., Rorrer, G.L. Fundamentals of Momentum, Heat,and Mass Transfer. 5 th edition. John Wiley & Sons. Inc. 2007.18. Fuentes de Internet. Nota: se consideran como fuentes serias de información enInternet a los sitios web de universidades e instituciones de educación superior deprestigio, centros de investigación (no comercial), organismos gubernamentalestanto nacionales como internacionales y organismos sin fines de lucro.19. Artículos de revistas científicas: Industrial Chemical Engineering Research, RevistaMexicana de Ingeniería Química, Int. J. Heat & Mass Transfer, ProcessBiochemistry, Journal of Food Engineering, entre otros.12.- PRÁCTICAS PROPUESTAS• Determinación experimental de conductividades térmicas de diversos materiales.• Estimación de la difusividad de glucosa en un material vegetal, por medición de laconcentración de glucosa en el líquido vs tiempo y la posterior comparación (usandométodo de mínimos cuadrados) con el modelo matemático.• Determinación experimental de coeficientes de transferencia de calor por convección.• Dinámica de calentamiento en un cuerpo biológico (por ejemplo una papa) y estimaciónde conductividad térmica.• Medición de la difusividad en un sistema sólido-líquido, gas-gas.• Utilización de software (MathCad, Excel, Slicer DIcer, Tecplot, COMSOL mutiphysics,software CFD, programas locales, entre otros) para la solución computacional yvisualización de resultados.• Simulación del efecto difusión-reacción en un microorganismo inmovilizado en unsoporto orgánico, usando Excel y cálculo del módulo de Thiele y factor de efectividad.13